人造叶绿体染料敏化太阳能电池.doc

“人造叶绿体”—染料敏化太阳能电池 太阳能小组 摘要：染料敏化太阳能电池是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳能电池。本文介绍了染料敏化太阳能电池的基本原理以及结构组成，并分析了其现阶段存在的问题以及研究方向。 关键词：太阳能电池 染料敏化太阳能电池（DSSC） 敏化剂 电解质 对电极 1 引言 能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈问题。大力发展清洁能源无疑是突破这一瓶颈的有效方式。其中，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭、无污染洁净的天然绿色能源， 而成为最有希望的清洁能源之一。 说到太阳能的利用，光伏发电无疑是其中最重要的一环。目前研究和应用最广泛的硅系太阳能电池，主要分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池，从发明之日起就一直垄断着光伏发电的市场。但是应当注意到的是硅太阳能电池的原料成本高、生产工艺复杂、效率提高潜力有限（其光电转换效率的理论极限值为30%），限制了其民用化。而太阳能电池的另一种形式—薄膜太阳能电池，在使用和生产中会产生毒物，也限制了它的进一步发展。这种情况下，要想实现光伏产业的跨越式发展，一种成本低廉、转化率高的太阳能电池必不可少，染料敏化太阳能电池无疑是一种最佳选择。 自从1991年，O’Regan等人在《Nature》上报道了染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell，下简称DSSC)以来，DSSC以其高效、工艺简单、成本低廉等系列优势在全世界范围内引起了广泛关注，并成为新一代光伏电池的候选物得到大力发展。 2 DSSC的原理及优势 2.1 原理 太阳能照在半导体pn结上，当能量不低于半导体禁带宽度时，电子受激跃迁到激发态，形成电子空穴对，进而在pn结内形成内建电场；在该电场的作用下光生空穴由n区流向p区，光生电子由p区流向n区，在外电路作用下形成电流。这就是传统光电效应太阳能电池的工作原理，而一些半导体的禁带宽度较大，需要吸收紫外区的能量才可被利用，这就使得太阳能的利用率不高。而DSSC就能将低于半导体材料禁带宽度的能量也利用起来：入射光照在电极上时，吸附在电极表面的染料分子中的电子受激跃迁至激发态，然后注入到半导体材料的导带内，此时染料分子失去电子转化为氧化态；由于入射光的能量等于染料分子的特征吸收波长，注入到导带内的电子富集在导带底部，可以通过外电路流向对电极，形成电流；而处于氧化态的染料分子能够氧化电解质中的电子给体，自身恢复还愿态，这使得染料分子能够循环利用；同时，被氧化的电子给体扩散到对电极，在电极表面得到电子而被还原，完成一个光化学反应循环。（见图1） 图1 DSSC的结构及原理图 2.2 “人造叶绿体” DSSC的工作原理与光合作用原理相类似。不同的是，绿色植物的光合作用是通过叶绿体，DSSC的光合作用中，染料吸收太阳光，产生电子，电子再被电极收集，然后再通过外电路，回到反电极，产生光电流。 图2 光合作用原理图 2.3优势 这种新型太阳能电池可以将低于半导体材料禁带宽度的能量利用起来，大大提高了太阳能的利用率。此外，DSC的原材料丰富，成本低廉，性能稳定。电池制作中主要工艺是大面积丝网印刷技术和简单浸泡方法，有利于大面积工业化生产，而且所有原材料和生产工艺都无毒、无污染，电池中的导电玻璃可以得到充分的回收，对保护环境有重要的意义。主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSC的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质。?的电子跃迁将电子注入到半导体中。金属有机染料敏化剂包括钌基多吡啶配合物、卟啉配合物和酞菁配合物等；而非金属有机染料敏化剂包括香豆素、二氢吲哚、花青类以及多烯等。 3.1.3 敏化剂存在的主要问题及研究方向 金属有机染料敏化剂是目前使用得最多的敏化剂，其中钌多吡啶配合物稳定性高，光电转换效率高，具有超常的电子注入效率，暗电子转移少，是目前DSSC所使用的最好的敏化剂。但它们的价格昂贵，合成复杂，所以对其它类型的敏化剂的研究也 非常重要。从光合作用的角度来看，卟啉类配合物具有很大的潜力，但还需要提高稳定性。酞菁类配合物的化学性质很稳定，对可见光具有很强的吸收，但酞菁类配合物的IPCE偏低，要提高其敏化效率必须改善其溶解性和防止聚集。非金属有机染料与金属有机染料相比具有很多优势，近年来发展非常快，目前最高η已经达到 8 % ,但目前还没有得到足够的重视。设计和合成光谱响应范围大、电子注入效率高、耐光照、化学和热稳定性高的敏化剂是未来的发展方向。另外，在自然界的光合作用中叶绿素和类胡萝卜素都